JP2015511335A - Optical mode conversion using inter-mode Cherenkov radiation - Google Patents

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Abstract

本発明の実施形態は、一般に、モード間チェレンコフ放射を使用する光モード変換に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、複合用途のためのモードの間で光を変換させるためにモード間四波混合を利用し、それによって、4つの波のうちの1つがチェレンコフ放射によって生成される光モード変換に関する。本発明の一実施形態によれば、ファイバは、第1の波長において第1のモードで光を受け取るための入力端部と、所望の第2の波長において所望の第2のモードで光を出力するための出力端部とを含み、所望の第2のモードはモード間チェレンコフ放射過程の間、曲げることなどによるファイバの変形により制御される。Embodiments of the present invention generally relate to optical mode conversion using inter-mode Cherenkov radiation. More particularly, embodiments of the present invention utilize inter-mode four-wave mixing to convert light between modes for composite applications, whereby one of the four waves is generated by Cherenkov radiation. It relates to the generated optical mode conversion. According to one embodiment of the present invention, the fiber outputs an input end for receiving light in a first mode at a first wavelength and a desired second mode at a desired second wavelength. And the desired second mode is controlled by deformation of the fiber, such as by bending, during the inter-mode Cherenkov radiation process.

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2012年2月21日に出願された「Intermodal Cherenkov Radiation」という名称の米国仮特許出願第61/601,110号の優先権を主張し、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。本出願は、さらに、米国受理官庁において2012年12月6日に出願された、2012年10月9日に出願された米国特許出願第13/945,475号の優先権を主張するPCT国際特許出願第PCT/US12/68259号の一部継続出願であり、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 61 / 601,110, filed February 21, 2012, entitled “Intermodal Cherenkov Radiation”, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Which is incorporated herein by reference. This application is also a PCT international patent claiming priority from US patent application Ser. No. 13 / 945,475, filed Oct. 9, 2012, filed Dec. 6, 2012 at the US receiving Office. This is a continuation-in-part of application PCT / US12 / 68259, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

本発明の実施形態は、一般に、モード間チェレンコフ放射を使用する光モード変換に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、複合用途のためのモードの間で光を変換させるためにモード間四波混合を利用し、それによって、4つの波のうちの1つがチェレンコフ放射によって生成される光モード変換に関する。   Embodiments of the present invention generally relate to optical mode conversion using inter-mode Cherenkov radiation. More specifically, embodiments of the present invention utilize inter-mode four-wave mixing to convert light between modes for composite applications, whereby one of the four waves is generated by Cherenkov radiation. It relates to the generated optical mode conversion.

高次モード(HOM)の光伝搬をサポートするファイバは、モード分割多重化によりデータ伝送容量を増加させる可能性のために最近大きな注目を受けている。分散波生成などのHOMファイバの非線形効果も、非線形波長変換への効果的な手法として研究されている。しかし、HOMファイバの以前の設計は、常に、動作波長でのモード交差(すなわち、2つの伝搬モードが同じ波長で同じ伝搬定数を有する)を避けようとしていた。   Fibers that support higher order mode (HOM) light propagation have recently received significant attention due to the possibility of increasing data transmission capacity through mode division multiplexing. Nonlinear effects of HOM fibers such as dispersion wave generation have also been studied as an effective technique for nonlinear wavelength conversion. However, previous designs of HOM fibers have always tried to avoid mode crossing at the operating wavelength (ie, two propagation modes have the same propagation constant at the same wavelength).

光HOMファイバの使用では、多くの用途が、あるモードから別のモードに光を結合/変換させる何らかの方法を有することが望ましい。光のそのような変換を線形変換過程に基づいて達成するための多くの既知の方法がある。既知の線形変換法には、ファイバを有する長周期回折格子、位相板、または空間光変調器などの従来のモード変換器の使用が含まれる。   With the use of optical HOM fibers, it is desirable for many applications to have some way of coupling / converting light from one mode to another. There are many known ways to achieve such conversion of light based on a linear conversion process. Known linear conversion methods include the use of conventional mode converters such as long-period gratings with fibers, phase plates, or spatial light modulators.

典型的な線形モード変換過程では、光は基本モード(LP01)で供給することができる。次に、光は、従来のモード変換器を通過して、異なるモード、例えば、LP02に変換される。従来の線形モード変換器を使用する場合、変換された光は入力光と同じ波長で生成され、多くの用途では、これは許容されるかまたは望ましい。しかし、場合によっては、変換される光を、元の入力光とは異なる波長で生成させることができることによって、所与の用途の動作帯域幅を増加させることができる。 In a typical linear mode conversion process, light can be supplied in the fundamental mode (LP 01 ). The light is then passed through a conventional mode converter and converted to a different mode, for example LP 02 . When using a conventional linear mode converter, the converted light is generated at the same wavelength as the input light, which is acceptable or desirable for many applications. However, in some cases, the converted bandwidth can be generated at a different wavelength than the original input light, thereby increasing the operating bandwidth for a given application.

四波混合は、非線形光学の相互変調現象である。通常、四波混合は、同じモード内の様々な波長により利用される。そのため、四波混合過程を使用してモード変換を達成するには、回折格子または他の形態の既知のモード変換器が従来必要とされる。   Four-wave mixing is an intermodulation phenomenon of nonlinear optics. Usually, four-wave mixing is utilized by various wavelengths within the same mode. Thus, to achieve mode conversion using a four-wave mixing process, a diffraction grating or other form of known mode converter is conventionally required.

したがって、波長変換、パラメトリック増幅、高速スイッチング、光サンプリング、パルス圧縮、光再生などのような信号処理を用いて、さらに拡大させることができる広大な新用途分野を開拓するために、非線形モード変換の方法が必要である。   Therefore, in order to pioneer a vast new application field that can be further expanded using signal processing such as wavelength conversion, parametric amplification, high-speed switching, optical sampling, pulse compression, optical regeneration, etc., nonlinear mode conversion A method is needed.

本発明の実施形態は、一般に、モード間チェレンコフ放射を使用する光モード変換に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、複合用途のためのモードの間で光を変換させるためにモード間四波混合を利用し、それによって、4つの波のうちの1つがチェレンコフ放射によって生成される光モード変換に関する。   Embodiments of the present invention generally relate to optical mode conversion using inter-mode Cherenkov radiation. More specifically, embodiments of the present invention utilize inter-mode four-wave mixing to convert light between modes for composite applications, whereby one of the four waves is generated by Cherenkov radiation. It relates to the generated optical mode conversion.

本発明の1つの実施形態によれば、ファイバは、第1の波長において第1のモードで光を受け取るための入力端部と、所望の第2の波長において所望の第2のモードで光を出力するための出力端部とを含み、所望の第2のモードはモード間チェレンコフ放射過程の間、ファイバを曲げることによって制御される。   According to one embodiment of the present invention, the fiber has an input end for receiving light in a first mode at a first wavelength and light in a desired second mode at a desired second wavelength. And the desired second mode is controlled by bending the fiber during the inter-mode Cherenkov radiation process.

本発明の別の実施形態では、非線形モード変換のためのシステムは、第1の波長において第1のモードで入力光を供給するための光源と、ファイバであり、第1の波長において第1のモードで光を受け取るための入力端部と、所望の第2の波長において所望の第2のモードで光を出力するための出力端部とを含み、所望の第2のモードがモード間チェレンコフ放射過程の間、ファイバを曲げることによって制御される、ファイバとを含む。   In another embodiment of the invention, a system for non-linear mode conversion is a light source for providing input light in a first mode at a first wavelength and a fiber, and a first at a first wavelength. An input end for receiving light in a mode and an output end for outputting light in a desired second mode at a desired second wavelength, wherein the desired second mode is inter-mode Cherenkov radiation Fiber, controlled by bending the fiber during the process.

さらなる別の実施形態では、光の非線形モード変換の方法は、第1の波長において第1のモードで入力光を生じさせることができる光源を用意することと、光源からの入力光を受け取るための入力端部と、所望の第2の波長において所望の第2のモードで出力光を出力するための出力端部とを有するファイバを用意することと、光源で入力光を生成することと、モード間チェレンコフ放射過程のための手段を利用することとを含み、所望の第2のモードはモード間チェレンコフ放射過程によって制御される。   In yet another embodiment, a method of nonlinear mode conversion of light provides a light source capable of producing input light in a first mode at a first wavelength and for receiving input light from the light source. Providing a fiber having an input end and an output end for outputting output light in a desired second mode at a desired second wavelength; generating input light with a light source; and mode Utilizing the means for the inter-Cerenkov radiation process, the desired second mode being controlled by the inter-mode Cherenkov radiation process.

本発明の上述で列挙した特徴を詳細に理解できるように、上述で簡単に要約した本発明の実施形態のより詳細な説明を、添付図面に示される実施形態を参照することによって行うことができる。しかし、添付図面は本発明の範囲内に包含される実施形態のうちの典型的な実施形態のみを示しており、それ故に、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めることができるので限定するものと見なされるべきでないことに留意されたい。   In order that the above-listed features of the invention may be understood in detail, a more detailed description of the embodiments of the invention briefly summarized above may be had by reference to the embodiments illustrated in the accompanying drawings. . However, the accompanying drawings show only typical embodiments of the embodiments included within the scope of the present invention, and therefore the present invention can recognize other equally effective embodiments. Note that this should not be considered limiting.

本発明の実施形態による、真っ直ぐなファイバ対曲げられたファイバの波長の関数としての実効屈折率のプロットである。4 is a plot of effective refractive index as a function of straight fiber versus bent fiber wavelength, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による、ωでのLP11モードのチェレンコフ放射とωでのLP02モードのポンプ・ソリトンとの間の位相整合条件のプロットである。FIG. 6 is a plot of phase matching conditions between LP 11 mode Cherenkov radiation at ω c and LP 02 mode pump solitons at ω p according to one embodiment of the invention. 本発明の一実施形態による、HOMファイバのLP02およびLP11モードの実効屈折率を用いた、モード交差周波数ωの近傍で示されたLP02およびLP11のモードの伝搬定数の曲線(左)と、HOMファイバの分散曲線(右)との概略図である。Curves of propagation constants of LP 02 and LP 11 modes shown near the mode crossing frequency ω x using the effective refractive indices of the LP 02 and LP 11 modes of the HOM fiber according to one embodiment of the present invention (left ) And a dispersion curve (right) of the HOM fiber. 本発明の一実施形態による、モード間チェレンコフ放射を生成するためのシステムの概略図である。1 is a schematic diagram of a system for generating inter-mode Cherenkov radiation, according to one embodiment of the invention. FIG. 本発明の実験の実施形態による、真っ直ぐなファイバ(左)、14cmの半径で巻き付けられたファイバ(中央)、5.5cmの半径で巻き付けられたファイバ(右)における異なる入力パルス・エネルギーでのソリトン・シフトおよびチェレンコフ放射の測定されたスペクトルを示すグラフである。Soliton at different input pulse energies in a straight fiber (left), a 14 cm radius wound fiber (middle), a 5.5 cm radius wound fiber (right), according to an experimental embodiment of the present invention A graph showing the measured spectrum of shift and Cherenkov radiation. 本発明の実験の実施形態による、ソリトンおよびチェレンコフ放射の対応する光スペクトルおよび空間プロファイル(左)と、チェレンコフ放射の測定された強度自己相関トレース(右)とを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the corresponding optical spectrum and spatial profile (left) of soliton and Cherenkov radiation and the measured intensity autocorrelation trace (right) of Cherenkov radiation, according to an experimental embodiment of the present invention.

本明細書で使用される見出しは、構成の目的のためにすぎず、説明または特許請求の範囲を限定するために使用されることを意味しない。本出願の全体を通して使用される「できる(may)」という語は、強制的な意味(すなわち、しなければならないという意味)ではなく、許容的な意味(すなわち、可能性を有するという意味)で使用される。同様に、「含む(include)」、「含んでいる(including)」、および、「含む(includes)」という語は、含んでいることを意味するがそれに限定されない。理解を容易にするために、同様の参照番号が、可能であれば、図に共通する同様の要素を指定するために使用されている。   The headings used herein are for organizational purposes only and are not meant to be used to limit the description or the claims. As used throughout this application, the word “may” is not in a compulsory sense (ie meaning that it must be done) but in an acceptable sense (ie meaning that it has potential). used. Similarly, the terms “include”, “including”, and “includes” mean including but not limited to. For ease of understanding, like reference numerals have been used, where possible, to designate like elements that are common to the figures.

本発明の実施形態は、一般に、モード間チェレンコフ放射を使用する光モード変換に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、複合用途のためのモードの間で光を変換させるためにモード間四波混合を利用し、それによって、4つの波のうちの1つがチェレンコフ放射から生成される光モード変換に関する。   Embodiments of the present invention generally relate to optical mode conversion using inter-mode Cherenkov radiation. More particularly, embodiments of the present invention utilize inter-mode four-wave mixing to convert light between modes for composite applications, whereby one of the four waves is derived from Cherenkov radiation. It relates to the generated optical mode conversion.

本明細書で使用する「約(about)」または「ほぼ(approximately)」という用語、またはその派生語は、数値を参照する場合、両方向にそのような数値の10パーセント内を含むと見なされるべきである。加えて、そのような用語が絶対値(absolute)(例えば、ゼロ)の記述に利用される場合、絶対値は、当業者によって通常使用されるように、両方向に妥当な測定値の1単位内を含むと見なされるべきである。   As used herein, the term “about” or “approximate”, or derivatives thereof, when referring to a numerical value, should be considered to include within 10 percent of such numerical value in both directions. It is. In addition, when such terms are used to describe an absolute value (eg, zero), the absolute value is within one unit of a reasonable measurement in both directions, as is commonly used by those skilled in the art. Should be considered as including.

非線形光学におけるチェレンコフ放射は、非ソリトン放射、すなわち、ソリトンが分散波と位相整合される場合の四波混合の特別な形態としても知られている。単一モード動作では、分散波は正常分散領域で生成される。光ファイバにおけるソリトンと分散波との間の周波数シフトは、チェレンコフ放射がバルク媒体中で荷電粒子によって放出される角度と類似なものである。   Cherenkov radiation in nonlinear optics is also known as non-soliton radiation, a special form of four-wave mixing where the soliton is phase matched with the dispersive wave. In single mode operation, the dispersed wave is generated in the normal dispersion region. The frequency shift between solitons and dispersive waves in optical fibers is similar to the angle at which Cherenkov radiation is emitted by charged particles in a bulk medium.

本発明の実施形態によれば、モード変換過程に関係する少なくとも第1および第2のモードを有する高次モード(HOM)ファイバを設計すること、および初期の入力モード(すなわち、第1のモード)の波長と所望の変換された出力モード(すなわち、第2のモード)の波長が同じではないことが可能である。本発明の実施形態を利用して、初期の入力モードの波長に制限されることなく、異なるモードおよび異なる波長の光を生成することが可能である。   According to embodiments of the present invention, designing a higher order mode (HOM) fiber having at least a first and a second mode related to a mode conversion process, and an initial input mode (ie, a first mode) And the wavelength of the desired converted output mode (ie, the second mode) may not be the same. Embodiments of the present invention can be used to generate light of different modes and wavelengths without being limited to the wavelengths of the initial input mode.

加えて、いくつかの実施形態では、4つの異なるモードを単一の四波混合過程に含めること、および複数の四波混合過程が適用され、それによって、四波混合過程の各々で少なくとも1つの波がチェレンコフ放射から生成される場合、その倍数を含めることが実現可能となりうる。チェレンコフ放射過程では、関係する2つの別個の波、すなわち、ソリトンおよび分散波のみが存在し、チェレンコフ放射の一般に知られている使用では、これらは同じモードである。しかし、2つの成分、すなわち、ソリトンおよび分散波は、2つの異なるモードに存在し、モード間チェレンコフ放射をもたらすことができる。他の実施形態では、本明細書で説明する過程をさらに実施することによって一連の異なるモード間チェレンコフ過程を有することが可能でありうる。   In addition, in some embodiments, including four different modes in a single four-wave mixing process, and multiple four-wave mixing processes are applied, whereby at least one of each of the four-wave mixing processes is applied. If the wave is generated from Cherenkov radiation, it may be feasible to include multiples thereof. In the Cerenkov radiation process, there are only two separate waves of interest, namely solitons and dispersive waves, which are the same mode in the commonly known use of Cherenkov radiation. However, the two components, soliton and dispersive wave, exist in two different modes and can result in inter-mode Cherenkov radiation. In other embodiments, it may be possible to have a series of different inter-mode Cherenkov processes by further performing the processes described herein.

ある波長での光ファイバの2つの光モードが同じ実効屈折率を有する場合、これはモード交差と称される。本発明の一実施形態によれば、モード交差をもつファイバは、コアと、トレンチによってコアから分離されたリングとをファイバに備えさせることによって設計することができる。そのような設計はトリプル・クラッド設計として知られていることがある。設計によって、所与の波長範囲に対して、そのようなファイバのLP02モードは、短い波長でより多くリングに束縛され、より長い波長でより多くコアに束縛されることになりうるが、LP11モードは考慮している全波長範囲でリングに束縛される。したがって、そのようなファイバでは、LP02モードはより短い波長でLP11モードよりも大きい実効屈折率を有することになる。そのため、LP02モードはより長い波長でリング・モードからコア・モードに移行するので、LP02モードとLP11モードとの間にモード交差がある可能性があることになる。LP11がリング・モードであり、LP02がコア・モードである場合、LP11モードはLP02モードよりもコアによく束縛され、したがって、LP11モードはより大きい実効屈折率を有するので、そのようなモード交差が生じる。 If two optical modes of an optical fiber at a wavelength have the same effective refractive index, this is called a mode crossing. According to one embodiment of the invention, a fiber with mode crossing can be designed by providing the fiber with a core and a ring separated from the core by a trench. Such a design is sometimes known as a triple-clad design. Depending on the design, for a given wavelength range, the LP 02 mode of such a fiber may be more ring-bound at short wavelengths and more core-bound at longer wavelengths. Eleven modes are bound to the ring over the entire wavelength range considered. Thus, in such a fiber, the LP 02 mode will have a larger effective refractive index than the LP 11 mode at shorter wavelengths. Therefore, since the LP 02 mode shifts from the ring mode to the core mode at a longer wavelength, there may be a mode crossing between the LP 02 mode and the LP 11 mode. When LP 11 is in ring mode and LP 02 is in core mode, LP 11 mode is better bound to the core than LP 02 mode, and therefore LP 11 mode has a higher effective refractive index, so Such mode crossing occurs.

非線形四波混合方式では、4つの波が非線形結合を作り出すのに使用され、さらに、強力な結合を達成するために、非ゼロ横方向場重なり(non−zero transverse field overlap)と共に一般に位相整合される。四波混合過程で利用される波は、連続波およびパルス波のいずれかを含むことができる。本発明の一実施形態では、そのような混合過程は、ドープ・シリカ材料と光波との間の三次非線形相互作用を利用する。   In non-linear four-wave mixing schemes, four waves are used to create non-linear coupling, and are generally phase matched with non-zero transversal field overlap to achieve strong coupling. The Waves used in the four-wave mixing process can include either continuous waves or pulse waves. In one embodiment of the present invention, such a mixing process utilizes a third order nonlinear interaction between the doped silica material and the light wave.

一般的な四波混合過程の4つの波はすべて異なる波長とすることができるが、そのような異なる波長は必要とされない。一実施形態では、波の各々は同じモードであり、したがって、同じ角度対称性を有することになり、容易に混合されうる。別の実施形態では、波のうちの1つは、3つの他の波とは異なる角度対称性を有するモードであり、したがって、波のすべての間に結合があるわけではない。さらなる別の実施形態では、4つの波の間に、同じ角度対称性を有するモードをもつ2つの波と、異なる角度対称性をもつモードを有する2つの他の波とがある。そのような実施形態では、波の各々の間の結合は、位相整合要求条件が満たされる場合に可能である。   All four waves of a typical four-wave mixing process can have different wavelengths, but such different wavelengths are not required. In one embodiment, each of the waves is in the same mode and thus will have the same angular symmetry and can be easily mixed. In another embodiment, one of the waves is a mode that has a different angular symmetry than the three other waves, and thus there is no coupling between all of the waves. In yet another embodiment, there are two waves having a mode with the same angular symmetry between two waves and two other waves having a mode with different angular symmetry. In such embodiments, coupling between each of the waves is possible if the phase matching requirements are met.

光非線形集団(optical nonlinear community)内において、チェレンコフ放射は、波のうちの3つがソリトンに由来し、第4の波がチェレンコフ放射であるか、または波のうちの3つがチェレンコフ放射に由来し、第4の波がソリトンである場合の四波混合のタイプにおいて、ソリトンから生成することができることがよく知られている。チェレンコフ放射は、ソリトンからの波に位相整合される分散波である。一般に、ソリトンおよびチェレンコフ放射は同じ光モードである。しかし、本発明の実施形態では、チェレンコフ放射を生成するソリトン・パルスは、ゼロでない横方向場重なりに加えて位相整合要求条件を満たすことができる限り、同じモードであることは必要でない。   Within an optical non-linear community, Cherenkov radiation is derived from three soliton waves and four waves from Cherenkov radiation, or three waves from Cherenkov radiation, It is well known that in the type of four-wave mixing where the fourth wave is a soliton, it can be generated from the soliton. Cherenkov radiation is a dispersive wave that is phase matched to the wave from the soliton. In general, soliton and Cherenkov radiation are the same light mode. However, in embodiments of the present invention, the soliton pulses that produce Cherenkov radiation need not be in the same mode as long as they can meet the phase matching requirements in addition to non-zero lateral field overlap.

本発明の実施形態によれば、関心のある特定の波長でモード交差を有するように光ファイバを設計することにより、光ファイバの変形によって、例えば、ファイバを曲げることによって、モード間チェレンコフ放射過程として知られるものを介して、波長およびモード変換の両方を達成することが可能である。   According to embodiments of the present invention, by designing an optical fiber to have a mode crossing at a particular wavelength of interest, by deformation of the optical fiber, for example, by bending the fiber, the inter-mode Cherenkov radiation process Through what is known, it is possible to achieve both wavelength and mode conversion.

図1は、本発明の実施形態による真っ直ぐなファイバ対曲げられたファイバの波長の関数としての実効屈折率のプロットを表す。曲げられたファイバは、各モードに対して傾斜した屈折率プロファイルを導入する。曲げられたファイバにはモード交差がないことに気づくことができる。そのため、曲げられたファイバのソリトンは、ソリトンおよび分散波の両方が曲げられたファイバの同じモードである場合、チェレンコフ放射過程を介して分散波に結合される。ファイバが真っ直ぐにされたとき、曲げられたファイバのモードのソリトンの光はLP02モードになることになり、分散波はLP11モードになることになる。したがって、曲げられたファイバでは、モード間結合は単に通常の単一モード・チェレンコフ結合となる。 FIG. 1 represents a plot of effective refractive index as a function of straight fiber versus bent fiber wavelength according to an embodiment of the present invention. The bent fiber introduces a tilted index profile for each mode. It can be noticed that there is no mode crossing in the bent fiber. Thus, the bent fiber soliton is coupled to the dispersive wave via a Cherenkov radiation process when both the soliton and the dispersive wave are in the same mode of the bent fiber. When the fiber is straightened, the soliton light in the bent fiber mode will be in the LP 02 mode and the dispersive wave will be in the LP 11 mode. Thus, in a bent fiber, the intermode coupling is simply a normal single mode Cherenkov coupling.

その結果、ファイバを曲げることによって、モードの角度対称性が壊され、波の間の角度対称性の直交性はもはや存在しない。したがって、曲げられる場合には2つのモードの間に結合を生じさせることが可能であり、結合においては、真っ直ぐにされたファイバは異なる角度対称性を有し、よって直交することになる。   As a result, by bending the fiber, the angular symmetry of the mode is broken and there is no longer any orthogonality of angular symmetry between the waves. Thus, when bent, it is possible to create a coupling between the two modes, in which the straightened fibers have different angular symmetry and are therefore orthogonal.

実質的に同じ結果を達成するために、任意の既知の技法を使用して、ファイバを曲げる、またはプロファイルを同様に変形させることができる。例えば、他の方法には、マイクロベンド回折格子を使用すること、屈折率プロファイルを横切る温度勾配を作り出して、曲げたのと同じティルデ屈折率プロファイル(tilde index profile)を作り出すために熱源を使用すること、非対称応力プロファイルを作り出すためにファイバに単一の応力ロッドを使用すること、電気的に分極したファイバを作り出すために挿入された電極をもつファイバを使用することが含まれ、または導波路がファイバと異なる材料で製作される場合、それによって生成される電界によって、例えばシリコン導波路にティルデ屈折率プロファイルを作り出すこともできる。   Any known technique can be used to bend the fiber or similarly deform the profile to achieve substantially the same result. For example, other methods use a heat source to use a microbend grating, create a temperature gradient across the refractive index profile, and produce the same tilde refractive index profile as bent. Using a single stress rod in the fiber to create an asymmetric stress profile, using a fiber with an inserted electrode to create an electrically polarized fiber, or a waveguide When made of a different material than the fiber, the tilde index profile can also be created in the silicon waveguide, for example, by the electric field generated by it.

効率的な結合のために、2つのモード間の位相整合を有することがさらに必要である。そのような位相整合は、2つのモードがモード交差を有し、伝搬定数が2つのモードに対してほとんど同じであることを示す真っ直ぐなファイバにおいて生じることができる。加えて、それは、一方のモードについては伝搬定数が相対的に減少しており、他のモードについては伝搬定数が相対的に増加していることを示唆している。位相整合式は、つぎのように書くことができる。   It is further necessary to have phase matching between the two modes for efficient coupling. Such phase matching can occur in straight fibers indicating that the two modes have mode crossings and the propagation constants are almost the same for the two modes. In addition, it suggests that the propagation constant is relatively decreased for one mode and the propagation constant is relatively increased for the other mode. The phase matching equation can be written as:

ここで、βは伝搬定数であり、ωは周波数である。添字は、それぞれ、LP02モード(02)およびLP11モード(11)におけるポンプ・ソリトン(p)およびチェレンコフ放射(c)を示す。v=(dβ/dω)−1はソリトンの群速度である。β(ω)は、ωの関数としてファイバの実効屈折率(neff)から導き出すことができる。Pおよびγは、それぞれ、ソリトンのピークパワーおよび非線形係数である。ピークパワーが約10kW以下である場合、式(1)の最後の項で表される非線形寄与は、一般に、無視することができる。式(1)および(2)に基づいて、位相整合条件の Here, β is a propagation constant, and ω is a frequency. The subscripts indicate the pump soliton (p) and Cherenkov radiation (c) in LP 02 mode (02) and LP 11 mode (11), respectively. v g = (dβ / dω) −1 is the group velocity of the soliton. β (ω) can be derived from the effective refractive index (n eff ) of the fiber as a function of ω. P and γ are the soliton peak power and nonlinear coefficient, respectively. When the peak power is about 10 kW or less, the nonlinear contribution represented by the last term of equation (1) can generally be ignored. Based on equations (1) and (2),

は、 Is

になる。 become.

式3の解は、図2においてグラフを用いて検討され、示される。図2は、本発明の一の実施形態による、ωでのLP11モードのチェレンコフ放射と、ωでのLP02モードのポンプ・ソリトンとの間の位相整合条件のプロットを表す。ソリトンがモード交差周波数ωよりも高いωで異常分散(すなわち、βp,02が負の曲率を有する)で伝搬する場合、解は、式3を満たすωよりも低いωで見いだすことができる。したがって、位相整合したチェレンコフ放射波が生成されうる。 The solution of Equation 3 is examined and shown using the graph in FIG. FIG. 2 represents a plot of phase matching conditions between LP 11 mode Cherenkov radiation at ω c and LP 02 mode pump solitons at ω p according to one embodiment of the present invention. If the soliton propagates with anomalous dispersion (ie, β p, 02 has negative curvature) at ω p higher than the mode crossing frequency ω x , the solution is found at ω c lower than ω x satisfying Equation 3. be able to. Accordingly, phase-matched Cherenkov radiation can be generated.

図3は、本発明の一実施形態による、HOMファイバのLP02およびLP11モードの実効屈折率を用いた、モード交差周波数ωの近傍で示されたLP02およびLP11のモードの伝搬定数の曲線(左)と、HOMファイバの分散曲線(右)との概略図を表す。 FIG. 3 illustrates the LP 02 and LP 11 mode propagation constants shown in the vicinity of the mode crossing frequency ω x using the effective refractive indices of the LP 02 and LP 11 modes of the HOM fiber according to one embodiment of the present invention. The schematic diagram of the curve (left) and the dispersion curve (right) of the HOM fiber is shown.

ファイバの曲げ半径を変えることによって、ファイバが大きく変形されるほど角度対称性が大きく壊されるので、非線形結合の強度を制御することが可能である。ファイバの曲げを用いて、位相整合が存在する波長も摂動され、それにより、変換されるモードの波長を調整することも可能でありうる。代替実施形態では、光ファイバの変形は、ファイバを曲げることによって必ずしも生じさせる必要はなく、すなわち、角度対称性を壊す変形の他の手段も支持される。   By changing the bend radius of the fiber, the greater the deformation of the fiber, the more the angular symmetry is broken, so the strength of the nonlinear coupling can be controlled. Using fiber bending, it may also be possible to tune the wavelength of the mode to be converted, so that the wavelength at which phase matching exists is also perturbed. In an alternative embodiment, the deformation of the optical fiber does not necessarily have to occur by bending the fiber, i.e. other means of deformation that break the angular symmetry are also supported.

実験の実施形態
以下でより詳細に説明する1つの例示的な実施形態では、図4に示されるシステムなどの実験セットアップが、HOMファイバのモード間チェレンコフ放射のために用意される。図4に示すように、実験には、光源、可変光減衰器、HOMファイバ、光スペクトル・アナライザ、およびカメラなどの過程を記録するための手段が含まれていた。
Experimental Embodiment In one exemplary embodiment described in more detail below, an experimental setup such as the system shown in FIG. 4 is provided for inter-mode Cherenkov radiation of HOM fiber. As shown in FIG. 4, the experiment included means for recording the process, such as a light source, variable optical attenuator, HOM fiber, optical spectrum analyzer, and camera.

実施された実験では、光源は、自由空間において1045nmで1MHzパルス列を出力するIMRA FCPA μJewel(商標) D400レーザであった。そのようなレーザでは、パルスは、600fsの自己相関FWHMを有する。ファイバに結合されるパワーは、半波長板と直線偏光子からなる可変光減衰器によって制御される。色消対物レンズにより、光は、3軸ステージに取り付けられた90cmのHOMファイバに結合された。ファイバ端の位置は、LP02モードで最大励振を達成するように最適化されている。HOMファイバの出力は、光スペクトル・アナライザおよび二次干渉自己相関器で特性評価された。次に、ファイバ出力の空間プロファイルが、4f画像化システムで250倍に拡大され、CCDカメラで記録された。 In the experiments performed, the light source was an IMRA FCPA μJewel ™ D400 laser that outputs a 1 MHz pulse train at 1045 nm in free space. In such a laser, the pulse has an autocorrelation FWHM of 600 fs. The power coupled to the fiber is controlled by a variable optical attenuator consisting of a half-wave plate and a linear polarizer. With the achromatic objective, the light was coupled to a 90 cm HOM fiber attached to a triaxial stage. The fiber end position is optimized to achieve maximum excitation in the LP 02 mode. The output of the HOM fiber was characterized with an optical spectrum analyzer and a second order interference autocorrelator. Next, the spatial profile of the fiber output was magnified 250 times with a 4f imaging system and recorded with a CCD camera.

意図した動作パラメータを考えるときに、HOMファイバの所望の屈折率プロファイルが構築された。そのような構築プロセスは、2012年10月9日に出願された、本願の権利者が所有する米国特許出願第13/945,475号に詳細に説明されており、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。   When considering the intended operating parameters, the desired refractive index profile of the HOM fiber was constructed. Such a construction process is described in detail in US patent application Ser. No. 13 / 945,475, filed Oct. 9, 2012, owned by the rightful owner of this application, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. Is incorporated herein.

ファイバの屈折率プロファイルに関して、ファイバは、中心コア、コアを囲む内側トレンチ、トレンチを囲むリング、リングを囲む外側トレンチ、および外側クラッドを含む。   With respect to the refractive index profile of the fiber, the fiber includes a central core, an inner trench surrounding the core, a ring surrounding the trench, an outer trench surrounding the ring, and an outer cladding.

いくつかの実施形態では、ファイバの中心コアは、一般に、約0.75μmから約2.0μmの間の半径を有し、約20.0から約40.0(10−3で測定)の間の外側クラッドに対する屈折率差を有する、高くした屈折率領域を有することができる。一例示的実施形態では、中心コアは、所望の屈折率を達成するために、適切な量のGeOでドープされたSiOを含むことができるが、他のドーパントを含むことができる。 In some embodiments, the central core of the fiber generally has a radius between about 0.75 μm and about 2.0 μm and between about 20.0 and about 40.0 (measured at 10 −3 ). Can have a raised refractive index region with a refractive index difference relative to the outer cladding. In one exemplary embodiment, the central core can include SiO 2 doped with an appropriate amount of GeO 2 to achieve a desired refractive index, but can include other dopants.

内側のトレンチは、約1.75μmから2.5μmの間の幅を有し、約−3.0から約−13.0(10−3で測定)の間の外側クラッドに対する屈折率差を有する低くした屈折率領域とすることができる。内側トレンチは、一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のFおよびオプションとしてのGeOでドープされたSiOを含むことができる。 The inner trench has a width between about 1.75 μm and 2.5 μm and a refractive index difference with respect to the outer cladding between about −3.0 and about −13.0 (measured at 10 −3 ). The refractive index region can be lowered. The inner trench can generally include SiO 2 doped with an appropriate amount of F and optional GeO 2 to achieve the desired refractive index.

リングは、約2.0μmから約5.0μmの間の幅を有し、約5.0から約20.0(10−3で測定)の間の外側クラッドに対する屈折率差を有する、高くした屈折率領域とすることができる。リングは、一般に、所望の屈折率を達成するために、適切な量のGeOおよびオプションとしてのFでドープされたSiOを含むことができる。 The ring has a width between about 2.0 μm and about 5.0 μm and has a refractive index difference with respect to the outer cladding between about 5.0 and about 20.0 (measured at 10 −3 ) It can be a refractive index region. The ring can generally include an appropriate amount of GeO 2 and optionally F-doped SiO 2 to achieve the desired refractive index.

外側トレンチは、一般に、約1.75μから約4.5μmの幅を有し、約1.5から約−3.5(10−3で測定)の間の外側クラッドに対する屈折率差を有する。外側トレンチは、一般に、所望の屈折率を達成するために、適切な量のP、F、およびオプションとしてのGeOでドープされたSiOを含むことができる。 The outer trench generally has a width of about 1.75 μm to about 4.5 μm and a refractive index difference relative to the outer cladding of between about 1.5 and about −3.5 (measured at 10 −3 ). The outer trench can generally include SiO 2 doped with an appropriate amount of P 2 O 5 , F, and optionally GeO 2 to achieve the desired refractive index.

多くの実施形態において、外側クラッドは、SiOを含み、約50μmから約75μmの間の外半径を有する。 In many embodiments, the outer cladding comprises SiO 2 and has an outer radius between about 50 μm and about 75 μm.

1つの例示的な最初に設計したファイバの特定の設計が以下の表1に示される。   One exemplary first designed fiber specific design is shown in Table 1 below.

実験のHOMファイバは、LP02モードの高エネルギー・ソリトンを生成するように設計された。設計通り、ソリトン自己周波数シフトにより、ソリトンはモード交差波長の方に赤方偏移し、LP11モードのチェレンコフ放射を励振することになる。加えて、設計した実験ファイバは、1120nmのモード交差波長を伴って、1000nmと1200nmとの間に、それぞれ、異常および正常分散を有するLP02およびLP11モードを設定する。 The experimental HOM fiber was designed to produce LP 02 mode high energy solitons. As designed, the soliton self-frequency shift causes the soliton to shift red toward the mode crossing wavelength and excite LP 11 mode Cherenkov radiation. In addition, the designed experimental fiber sets LP 02 and LP 11 modes with anomalous and normal dispersion, respectively, between 1000 nm and 1200 nm, with a mode crossing wavelength of 1120 nm.

実験の結果として、1085nmの高エネルギー・ソリトンが、14.4nJの入力パルス・エネルギーおよび90cmの伝搬距離を有して、ファイバのLP02モードで生成された。真っ直ぐなHOMファイバでは、ソリトンの中心波長は、1085nmと1120nmとの間で連続的に調整することができた。ファイバの曲げによって誘起されたモード結合は、1120nmのソリトンにスペクトル変調を引き起こしたことが認められた。しかし、LP11モードのチェレンコフ放射は真っ直ぐなファイバでは観察することができていない。そのような観察は、モード重なり積分が、著しい摂動なしに消滅するという、理論的予測と一致していた。 As a result of the experiment, high energy soliton 1085nm is, a propagation distance of the input pulse energy and 90cm of 14.4NJ, generated by the LP 02 mode of the fiber. In a straight HOM fiber, the soliton center wavelength could be tuned continuously between 1085 nm and 1120 nm. It was observed that mode coupling induced by fiber bending caused spectral modulation in 1120 nm solitons. However, LP 11 mode Cherenkov radiation has not been observed with straight fibers. Such observations were consistent with the theoretical prediction that the mode overlap integral would disappear without significant perturbation.

図5は、本明細書で説明する実験の実施形態による、真っ直ぐなファイバ(左)、14cmの半径で巻き付けられたファイバ(中央)、5.5cmの半径で巻き付けられたファイバ(右)における異なる入力パルス・エネルギーでのソリトン・シフトおよびチェレンコフ放射の測定されたスペクトルを表す。この図の示すところによれば、HOMファイバを曲げることによって、モード重なり積分はもはや消滅せず、それにより、チェレンコフ放射の効率的な生成のためのモード間非線形性がもたらされる。18nJ入力エネルギーにおいて、チェレンコフ放射は、14cmよりも小さい曲げ半径の場合に1130nmよりも長い波長で明確に観察することができる。チェレンコフ放射とソリトンとの間の波長分離は曲げ半径が小さいほど大きくなることも図5から明白である。その結果、実験結果が示すところによれば、チェレンコフ放射のスペクトルは、ファイバへの変形を制御することによって効果的に調整することができる。しかし、入力偏光の違いはチェレンコフ放射のスペクトル発展(spectral evolution)および波長に影響を与えておらず、導波路曲げによって作り出されるモード間チェレンコフ放射は偏光効果でないことを示していることに留意されたい。   FIG. 5 is different for a straight fiber (left), a fiber wound with a 14 cm radius (center), and a fiber wound with a 5.5 cm radius (right), according to an experimental embodiment described herein. Fig. 4 represents the measured spectrum of soliton shift and Cherenkov radiation at the input pulse energy. This figure shows that by bending the HOM fiber, the mode overlap integral no longer disappears, thereby providing inter-mode nonlinearity for efficient generation of Cherenkov radiation. At 18 nJ input energy, Cherenkov radiation can be clearly observed at wavelengths longer than 1130 nm for bend radii less than 14 cm. It is also clear from FIG. 5 that the wavelength separation between Cherenkov radiation and solitons increases with decreasing bend radius. As a result, experimental results show that the spectrum of Cherenkov radiation can be effectively adjusted by controlling the deformation to the fiber. However, it should be noted that the difference in input polarization does not affect the spectral evolution and wavelength of Cherenkov radiation, indicating that the inter-mode Cherenkov radiation created by waveguide bending is not a polarization effect. .

実験の結果として、5.5cm曲げ半径をもつHOMファイバでチェレンコフ放射が観察された。21nJ入力エネルギーにおいて、1093nmの6nJソリトンが、1140nmのLP11モードの1.5nJチェレンコフ・パルスを励振している。チェレンコフ放射のそのような測定された波長は、ポンプ・ソリトンのneff値および波長に基づく、上述の式3の解と一致する。 As a result of the experiment, Cherenkov radiation was observed in a HOM fiber with a 5.5 cm bend radius. At 21 nJ input energy, a 1093 nm 6 nJ soliton excites a 1140 nm LP 11 mode 1.5 nJ Cherenkov pulse. Such a measured wavelength of Cherenkov radiation is consistent with the solution of Equation 3 above, based on the pump soliton n eff value and wavelength.

図6は、本明細書で説明する実験の実施形態による、ソリトンおよびチェレンコフ放射の対応する光スペクトルおよび空間プロファイル(左)と、チェレンコフ放射の測定された強度自己相関トレース(右)とを示すグラフを表す。強度自己相関測定によれば、チェレンコフ放射のパルス幅は5.8psである。チェレンコフ・パルスは、LP11モードの分散ならびにソリトンとチェレンコフ放射との間の時間的ウォークオフ(temporal walk−off)に起因して広がる。したがって、実験の示すところによれば、同時の波長およびモード変換をモード間チェレンコフ放射の使用により達成することができる。 FIG. 6 is a graph showing the corresponding optical spectrum and spatial profile of soliton and Cherenkov radiation (left) and the measured intensity autocorrelation trace (right) of Cherenkov radiation, according to the experimental embodiment described herein. Represents. According to the intensity autocorrelation measurement, the pulse width of Cherenkov radiation is 5.8 ps. The Cherenkov pulse spreads due to the dispersion of the LP 11 mode and the temporal walk-off between solitons and Cherenkov radiation. Thus, experiments show that simultaneous wavelength and mode conversion can be achieved through the use of inter-mode Cherenkov radiation.

前述は本発明の実施形態に関するが、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を本発明の基本範囲から逸脱することなく考案することができる。本明細書で説明した様々な実施形態は、本明細書に含まれる範囲から逸脱することなく、説明した任意の他の実施形態と組み合わせて利用することができることがさらに理解される。加えて、特定用途が必要とすることがあるとき、本発明の実施形態はさらに拡張可能でありうる。   Although the foregoing relates to embodiments of the invention, other and further embodiments of the invention may be devised without departing from the basic scope thereof. It is further understood that the various embodiments described herein can be utilized in combination with any other described embodiments without departing from the scope included herein. In addition, embodiments of the present invention may be further extensible when specific applications may be required.

Claims (10)

第1の波長において第1のモードで光を受け取るための入力端部と、
所望の第2の波長において所望の第2のモードで光を出力するための出力端部と
を含むファイバであって、
前記所望の第2のモードがモード間チェレンコフ放射過程の間、前記ファイバの変形によって制御される、ファイバ。
An input end for receiving light in a first mode at a first wavelength;
A fiber including an output end for outputting light in a desired second mode at a desired second wavelength,
A fiber, wherein the desired second mode is controlled by deformation of the fiber during an inter-mode Cherenkov radiation process.
前記ファイバが高次モード・ファイバを含む、請求項1に記載のファイバ。   The fiber of claim 1, wherein the fiber comprises a higher order mode fiber. 前記第1の波長における前記第1のモードを、前記所望の第2の波長における前記第2のモードに変換するために、モード間四波混合を適用するための手段をさらに含む、請求項1に記載のファイバ。   The apparatus further comprises means for applying inter-mode four-wave mixing to convert the first mode at the first wavelength to the second mode at the desired second wavelength. Fiber as described in 1. 前記四波混合過程の波のうちの少なくとも1つがチェレンコフ放射波である、請求項3に記載のファイバ。   The fiber according to claim 3, wherein at least one of the waves of the four-wave mixing process is a Cherenkov radiation wave. 前記モード間四波混合過程に関係する前記モードの位相が整合する、請求項3に記載のファイバ。   The fiber of claim 3, wherein the phases of the modes associated with the inter-mode four-wave mixing process are matched. 前記四波混合過程が非ゼロ横方向場重なりを維持する、請求項3に記載のファイバ。   The fiber of claim 3, wherein the four-wave mixing process maintains a non-zero lateral field overlap. 第1の波長において第1のモードで入力光を供給するための光源と、
ファイバであり、
第1の波長において第1のモードで光を受け取るための入力端部と、
所望の第2の波長において所望の第2のモードで光を出力するための出力端部と
を含み、
前記所望の第2のモードがモード間チェレンコフ放射過程の間、前記ファイバの曲げ半径によって制御される、ファイバと
を含む非線形モード変換のためのシステム。
A light source for supplying input light in a first mode at a first wavelength;
Fiber,
An input end for receiving light in a first mode at a first wavelength;
An output end for outputting light in a desired second mode at a desired second wavelength,
A system for nonlinear mode conversion comprising a fiber wherein the desired second mode is controlled by the bend radius of the fiber during an inter-mode Cherenkov radiation process.
前記ファイバが高次モード・ファイバを含む、請求項7に記載のシステム。   The system of claim 7, wherein the fiber comprises a higher order mode fiber. 前記第1の波長における前記第1のモードを前記所望の第2の波長における前記第2のモードに変換するために、モード間四波混合を適用するための手段をさらに含む、請求項7に記載のシステム。   8. The method of claim 7, further comprising means for applying inter-mode four-wave mixing to convert the first mode at the first wavelength to the second mode at the desired second wavelength. The described system. 第1の波長において第1のモードで入力光を生じさせることができる光源を用意することと、
前記光源からの前記入力光を受け取るための入力端部と、所望の第2の波長において所望の第2のモードで出力光を出力するための出力端部とを有するファイバを用意することと、
前記光源で前記入力光を生成することと、
モード間チェレンコフ放射過程のための手段を利用することと
を含む光の非線形モード変換の方法であって、
前記所望の第2のモードが前記モード間チェレンコフ放射過程によって制御される、方法。
Providing a light source capable of generating input light in a first mode at a first wavelength;
Providing a fiber having an input end for receiving the input light from the light source and an output end for outputting output light in a desired second mode at a desired second wavelength;
Generating the input light with the light source;
Using a means for the inter-mode Cherenkov radiation process, comprising:
The method wherein the desired second mode is controlled by the inter-mode Cherenkov radiation process.
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